1、引言

scale-2芯片組是專門為適應(yīng)當(dāng)今igbt與功率mosfet柵驅(qū)動器的功能需求而設(shè)計(jì)的。這些需求包括：可擴(kuò)展的分離式開通與關(guān)斷門級電流通路;功率半導(dǎo)體器件在關(guān)斷時(shí)的輸出電壓可以為有源箝位提供支持;多電平變換器與并聯(lián)功率器件的專業(yè)控制功能的兼容性;可以選擇使用低成本的雙向信號的變壓器接口或抗電磁干擾光纖接口;可擴(kuò)展設(shè)置，并具備故障管理;次級故障信號輸入/輸出，3.3v到15v的邏輯兼容性。

在延伸漏極雙井雙柵氧cmos制造工藝中使用了這個(gè)芯片組，它包括幾個(gè)不盡相同的次級智能門級驅(qū)動（igd）asic和一個(gè)初級邏輯驅(qū)動插口（ldi）asic。

2、集成的柵驅(qū)動器核心

圖1所示為柵驅(qū)動器asic原型的顯微照片。它的有源區(qū)約為：

4 mm×2mm。常規(guī)封裝是一個(gè)在高電流接口有著雙引線鍵合的soic-16。在成本非常低的情況下，不同的接合法常被用來控制不同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專業(yè)功能，包括可以選擇使用雙向信號變壓器接口或雙向光導(dǎo)纖維接口。這個(gè)高度集成的柵驅(qū)動器核心包含一個(gè)輸出電流與泄放電流為5.5a的輸出驅(qū)動級，同時(shí)支持對外置的n型mosfet的直接驅(qū)動，這樣就可以輕松放大柵極功率和柵極電流分別達(dá)到20w與20a甚至更大。半橋推挽式輸出級為在低成本的擴(kuò)展，幾個(gè)柵驅(qū)動器并聯(lián)與不依賴關(guān)斷柵極-發(fā)射極電壓的操作控制性都提供了可能。

先進(jìn)的控制功能以及專門為客戶提供的選項(xiàng)可以通過在可編程的單層掩膜上預(yù)置復(fù)合信號單元以及簡單器件（例如模擬比較器，邏輯門，cmos晶體管，接口），實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)以具有競爭力的價(jià)格投入市場。

初級邏輯驅(qū)動插口（ldi）asic實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙溝道雙向變壓器接口，一個(gè)帶有專用啟動序列可擴(kuò)展的dc-dc轉(zhuǎn)換器，并且具有可擴(kuò)展設(shè)置和故障管理功能。圖2所示為邏輯驅(qū)動插口asic原型的顯微照片，其有源區(qū)約為4mm × 2 mm，常規(guī)封裝為soic-16。

為了提高igbt的抗短路能力，一般在開啟過程和導(dǎo)通狀態(tài)下將其柵極-發(fā)射極電壓限制在+15v以下。由于近來的igbt的閾值柵壓已經(jīng)超過3v，所以在關(guān)斷過程和斷開狀態(tài)下把柵極-發(fā)射極電壓設(shè)置為0v就足夠了。這對于直接把柵驅(qū)動器集成在功率模塊中的智能功率模塊（ipm）來說是一種慣例。與這些小型的ipm相比，現(xiàn)今常規(guī)的大型igbt模塊，帶有36個(gè)以上的并聯(lián)igbt芯片，它的柵極互連線產(chǎn)生的電阻以及集電極-柵極轉(zhuǎn)移電容都會增大，這會對它的關(guān)斷速度，抗噪聲特性造成嚴(yán)重的影響，特別是還有可能產(chǎn)生由于瞬間電壓導(dǎo)致的局部誤導(dǎo)通。為了減少這些影響，柵極-發(fā)射極關(guān)斷電壓通常設(shè)定為-5v—15 v。

因此，在第一種工作模式下，igdasic可以通過在“vee”管腳（見圖3）調(diào)節(jié)發(fā)射極電壓的方式，提供給開啟導(dǎo)通狀態(tài)一個(gè)調(diào)節(jié)過的+15v柵極-發(fā)射極電壓來作為整個(gè)柵驅(qū)動器的供給電壓，其測量精確度為±450mv，工藝偏差在3σ內(nèi)，溫度范圍為400℃—1250℃。驅(qū)動直流電流必須被限制在 2.8ma以下，這樣外部元件就可以控制將柵極-發(fā)射極電壓設(shè)定為用戶需要的值。

由于柵驅(qū)動器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅(qū)動器需要使柵極-發(fā)射極電壓保持在-5.5v左右，這樣關(guān)斷狀態(tài)才可以抗噪聲干擾。在這種工作模式下，監(jiān)測到柵極-發(fā)射極開啟電壓小于12.6 v，關(guān)斷電壓小于5.15v時(shí)故障清除模式就會判斷出錯(cuò)。與之相應(yīng)的啟動電路與噪聲濾波也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。柵驅(qū)動器的推薦供給電壓范圍為20.5 v—30v。在第二種工作模式，也就是mosfet模式下，asic同樣提供了一個(gè)0v的關(guān)斷電壓。一旦這種模式被asic監(jiān)測到，故障清除模式將把開啟電壓8.5v作為判斷出錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測關(guān)斷電壓的電路以及+15v的控制電路都將失效。這種模式下的推薦柵驅(qū)動器供給電壓為10 v—17.5 v。

igbt是電壓控制器件。通常，柵驅(qū)動器是用電壓源來實(shí)現(xiàn)的，柵電流可以通過選擇適當(dāng)?shù)臇烹娮鑱碚{(diào)節(jié)。這里所使用的柵驅(qū)動器的開通和關(guān)斷輸出級都是利用擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝制造的n型ldmos晶體管實(shí)現(xiàn)的。

橫向器件的限制因素在于，對于相同的導(dǎo)通電阻更耗費(fèi)硅片面積，而且在一定的柵極-源極電壓下，一旦超過給定的工藝和溫度，飽和電流以及導(dǎo)通電阻將產(chǎn)生很大的變化。對于一個(gè)不增加成本的實(shí)例，柵驅(qū)動器的輸出級，導(dǎo)通電阻為1.1ω，偏差±40%，假定外部的柵電阻為3.3ω，那么將引起柵電流±10%的變化。此外，隨著在高結(jié)溫下dmos飽和電流的減小，它有可能到達(dá)柵電流峰值所需要的最小值，導(dǎo)通電阻的變化將進(jìn)一步地增大。最終將導(dǎo)致增加igbt柵電荷移動的延遲時(shí)間。這種時(shí)間上的延遲將對并聯(lián)的igbt與獨(dú)立的柵驅(qū)動器的電流分配產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖4 用來測評的即插即用型單通道igbt驅(qū)動器，柵級性能達(dá)到20a、20w，帶有先進(jìn)的有源箝位功能，一個(gè)雙向信號變壓器接口和一個(gè)光纖接口，可以選擇使用高或低閾值vce監(jiān)測。電路示意圖（上圖），實(shí)物圖（左下圖），igbt關(guān)斷波形圖（右下圖）。

大型的集成dmos晶體管被一個(gè)根據(jù)工藝和溫度變化的柵極-源極電壓驅(qū)動。此外，關(guān)斷輸出級工作在柵極-源極電壓低于5.5v的情況下時(shí)，源極導(dǎo)線電阻引起的電壓降落同樣會被補(bǔ)償。只要有可能，有著減薄柵氧層的高電壓輸出電路都要在源極輸入電壓低于5.5v的條件下工作來增加單位面積的跨導(dǎo)，從而降低成本并減小信號的延遲。如果有可能，數(shù)字、模擬電路要配合雙輸出為5v的自備供電設(shè)備使用，這種設(shè)備已經(jīng)完全被集成在asic中了。

這些測量方法同樣可以對igbt瞬態(tài)工作進(jìn)行精確的控制。這幾年來，有源箝位被廣泛的應(yīng)用于igbt的關(guān)斷，以便限制集電極-發(fā)射極電壓。除了具有有源箝位的功能外，asic合并了電路，實(shí)現(xiàn)了在igbt關(guān)斷時(shí)，對集電極-發(fā)射極電壓上升速度和箝位水平的閉環(huán)控制。所以，在整個(gè)的斷開過程中，igbt內(nèi)部的dmos柵溝道都是導(dǎo)通的。有源箝位較高的響應(yīng)速度可以減少關(guān)斷時(shí)的開關(guān)損耗，從而提高短路時(shí)的關(guān)斷能力。圖4所示為一個(gè)用來測評的即插即用scale-2型igbt驅(qū)動器，它的有源箝位功能得到了改良，以及一個(gè)3300v、400a的igbt模塊的短路關(guān)斷波形。柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級都使用了外置的n型dmos，這樣一來驅(qū)動器的柵級性能可以達(dá)到20 a、20w，并且具有目前大部分的常用功能。這些功能包含一個(gè)雙向信號變壓器接口和幾個(gè)光纖接口，多電平模式，閉鎖時(shí)間，igbt短路集電極-發(fā)射極電壓在額定電壓3300v或以上時(shí)通過感應(yīng)電阻的高閾值監(jiān)測，不足3300v時(shí)則通過感應(yīng)二極管的低閾值監(jiān)測。

對于關(guān)斷輸出級來說，經(jīng)過工藝和溫度補(bǔ)償?shù)臇艠O-源極電壓在開啟狀態(tài)下由一個(gè)適合的電荷泵電路提供，在斷開狀態(tài)下由一個(gè)自舉的電平驅(qū)動提供。除了一個(gè)外部的電容以外，這些都已經(jīng)集成在芯片里了。這使得輸出脈沖的占空比可以在0-1之間變化，并且可以支持對外置的n型mosfet的直接驅(qū)動，這樣?xùn)膨?qū)動器的柵極功率和電流就可以輕松擴(kuò)展了。盡管生產(chǎn)變復(fù)雜了，這種解決方案卻并不浪費(fèi)硅片面積，它占用的硅片面積只是簡單的p-mos輸出級所占用的面積。

前置驅(qū)動級通過使用分離的門級電阻分別控制開啟和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)最佳性能，可以直接驅(qū)動?xùn)烹娙莞哌_(dá)15 nc的外置n型dmos。驅(qū)動能力達(dá)到20a 、20 w的igbt驅(qū)動器，開關(guān)頻率可以達(dá)到750 khz（間歇式），300 khz（連續(xù)式），延遲時(shí)間少于50ns。asic在驅(qū)動級提供了可編程的單層掩膜的死區(qū)時(shí)間，以此來滿足用戶定制的需要，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。

3、設(shè)置與故障管理

雙向變壓器接口不論指令信號還是錯(cuò)誤信號都同樣傳送，通過短脈寬的單脈沖來實(shí)現(xiàn)最短的指令信號延遲時(shí)間。如果這兩種信號遇到?jīng)_突，錯(cuò)誤信號對于指令信號和dv/dt耐量占優(yōu)勢，將導(dǎo)致長脈沖寬度的噪聲電流。差分信號用一個(gè)40v的高線性輸入電壓處理，軟箝位被用來增強(qiáng)共模噪聲抑制。為了防止出現(xiàn)反沖電壓，將通過集成的阻尼電阻和專門的最小脈沖時(shí)間來估測，而不需要額外的信號延遲時(shí)間。假設(shè)耦合電容為4pf，達(dá)到》50v/ns 的超強(qiáng)抗干擾性，可以抵抗高達(dá)3300v的電壓波動。

由于任何故障狀況都將在1微秒內(nèi)傳遞到初級端，異步故障傳遞方式可以使并聯(lián)igbt與多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的專用時(shí)鐘需求得以實(shí)現(xiàn)。為了將這種情況的時(shí)間偏差減到最小，電路要通過補(bǔ)償消除溫度和工藝誤差的影響。首選的故障管理模式是在相關(guān)的igbt關(guān)斷之前報(bào)告錯(cuò)誤信息。關(guān)斷之前的延遲時(shí)間是可以在igdasic中調(diào)整的，在幾微秒范圍內(nèi)，也可以設(shè)置為0或無限大。

直接模式并沒有在驅(qū)動器的通路間提供任何組合邏輯或時(shí)序邏輯的相互作用。

這種模式給用戶提供了最大的靈活性，因此成為高級微控制器協(xié)作系統(tǒng)的首選。在第二種模式，也就是半橋模式中，asic使用一個(gè)輸入端作為公有的指令信號，用兩個(gè)具有死區(qū)時(shí)間的輸出端（一個(gè)正向和一個(gè)反向）去避免各個(gè)igbt之間的橋臂貫通現(xiàn)象。這種模式和死區(qū)時(shí)間可以根據(jù)特殊應(yīng)用的需要而調(diào)整，調(diào)整時(shí)通過兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)。第三種的預(yù)置模式可以實(shí)現(xiàn)互鎖或者互斥功能（帶有或不帶有死區(qū)時(shí)間），用戶的需求可以通過修改單層掩膜版來實(shí)現(xiàn)。

在初級端，任何故障狀況都會通過閉鎖時(shí)間延長幾毫秒。在這段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)的通道都會保持在關(guān)閉狀態(tài)下。這段時(shí)間的長度可以通過兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來調(diào)整或者設(shè)置為0。

4、應(yīng)用

scale-2型芯片組作為核心平臺應(yīng)用于新一代的igbt柵驅(qū)動器。相比于以前的芯片組，一個(gè)完整的即插即用igbt驅(qū)動器的所有組成部分的成本可以減少60%以上。

圖5　帶有外置n型dmos驅(qū)動器級的雙通道igbt驅(qū)動器核心，柵級性能為20a/4w（左圖），柵極性能為5.5a/0.8w的完全集成版（右圖）。

圖5 帶有外置n型dmos驅(qū)動器級的雙通道igbt驅(qū)動器核心，柵級性能為：20 a /4 w，柵極性能為5.5 a / 0.8w的完全集成版。圖5（左）所示為一個(gè)雙通道柵驅(qū)動器核心，它的驅(qū)動能力為20 a， 4 w， +15 v /-10v，柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級使用的都是外置n型dmos：它具有雙向信號變壓器接口，提供可調(diào)整的操作模式、死區(qū)時(shí)間、閉鎖時(shí)間、先進(jìn)的有源箝位功能和一個(gè)次級故障輸入端。典型的延遲時(shí)間為110ns。代表性的應(yīng)用包括對于1700 v / 200 a，開關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。

圖5（右）所示為一個(gè)相似的雙通道柵驅(qū)動器核心，它的驅(qū)動能力為5.5 a， 0.8 w， +15 v/-10v，柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級都是完全集成的。典型的延遲時(shí)間為88ns。體積小，更容易擴(kuò)展到7通道以及其低廉的成本使得它成為驅(qū)動1700 v/225a igbt的最佳選擇。代表性的應(yīng)用包括對于1700v / 100 a，開關(guān)頻率達(dá)到25 khz，或者是600 v / 50 a，開關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。

5、前景

在過去的10年里，scale技術(shù)已經(jīng)在市場上被確立為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，concept公司擁有的scale-2芯片組將得到更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。這個(gè)芯片組作為實(shí)現(xiàn)新一代igbt柵驅(qū)動器的核心平臺，在可靠性、功能性、可擴(kuò)展性、成本以及投入到市場的時(shí)間方面都有所提高。這些提高要?dú)w功于使用被大規(guī)模應(yīng)用的scale型驅(qū)動器，它經(jīng)過了廣泛的試用與測試。

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